Jacek Świderski - Wojskowa Akademia Techniczna · power supercontinuum generation in a...

Zał. Nr 2. Autoreferat Strona 1

Załącznik Nr 2

Autoreferat

Jacek Świderski


Spis treści

1. Imię i nazwisko .................................................................................................................................... 3

2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe ........................................................................................ 3

3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych ..................... 4

4. Wskazanie osiągnięcia naukowego stanowiącego podstawę postępowania habilitacyjnego ...................................................................................................................................... 4

4.1. Tytuł osiągnięcia naukowego ............................................................................................. 4

4.2. Wyszczególnienie pozycji osiągnięcia naukowego ...................................................... 4

4.3. Omówienie celu naukowego prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania ....................................................... 6

4.3.1. Wprowadzenie ............................................................................................................. 6

4.3.2. Generacja promieniowania supercontinuum w światłowodach krzemionkowych ....................................................................................................... 11

4.3.3. Generacja promieniowania supercontinuum w światłowodach fluorkowych ................................................................................................................ 15

4.3.4. Podsumowanie .......................................................................................................... 27

5. Omówienie pozostałych osiągnięć .............................................................................................. 31

5.1. Działalność prowadzona przed uzyskaniem stopnia doktora ............................. 31

5.2. Działalność prowadzona po uzyskaniu stopnia doktora ....................................... 33

5.3. Podsumowanie dorobku naukowego ............................................................................ 37


1. Imię i nazwisko Jacek Świderski

2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe

Stopień naukowy doktora nauk technicznych

jednostka nadająca stopień: Wydział Elektroniki Wojskowej Akademii Technicznej

data nadania stopnia: 7 czerwca 2006 r.

dyscyplina: elektronika

specjalność: optoelektronika

tytuł rozprawy: „Generacja impulsów promieniowania o nanosekundowych czasach trwania w układach laserów i wzmacniaczy włóknowych”

promotor rozprawy: prof. dr hab. inż. Andrzej Zając

praca wyróżniona dyplomem Rektora WAT jako najlepsza rozprawa doktorska w roku akademickim 2005/2006

Tytuł magistra inżyniera elektronika

jednostka nadająca tytuł: Wydział Elektroniki Wojskowej Akademii Technicznej

data uzyskania tytułu: 22 czerwca 1999 r.

kierunek: elektronika i telekomunikacja

specjalność: urządzenia optoelektroniczne

temat pracy magisterskiej: „Analiza wpływu własności nieliniowego absorbera na sprawność generacji lasera z pasywną modulacją dobroci”

promotor: dr inż. Marek Skórczakowski

ocena ukończenia studiów: bardzo dobry

Świadectwo ukończenia studiów podyplomowych w zakresie pedagogiki

miejsce ukończenia studiów: Wojskowa Akademia Techniczna

data uzyskania świadectwa: 12 czerwca 2001 r.

ocena: bardzo dobry

Świadectwo ukończenia studiów podyplomowych „Zaawansowane techniki i metody pracy dydaktycznej”

miejsce ukończenia studiów: Wojskowa Akademia Techniczna

data uzyskania świadectwa: 12 luty 2008 r.

ocena: bardzo dobry


3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych

2000 - 2003 Inżynier; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie

2003 - 2007 Asystent; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie

2007 - obecnie Adiunkt; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie

4. Wskazanie osiągnięcia naukowego stanowiącego podstawę postępowania habilitacyjnego*

4.1. Tytuł osiągnięcia naukowego

Jako osiągnięcie naukowe, w rozumieniu art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 z późn. zm.) będące podstawą do wszczęcia i przeprowadzenia postępowania habilitacyjnego, habilitant przedstawia cykl publikacji powiązanych tematycznie ujętych pod wspólnym tytułem:

Źródła supercontinuum zakresu widmowego średniej podczerwieni

o dużej wyjściowej mocy średniej

4.2. Wyszczególnienie pozycji osiągnięcia naukowego

Cykl publikacji powiązanych tematycznie tworzących wskazane osiągnięcie obejmuje:

[H1] J. Swiderski, M. Maciejewska, Watt-level, all-fiber supercontinuum source based on telecom-grade fiber components, Applied Physics B - Lasers and Optics 109 (1), 177-181 (2012).

[H2] J. Swiderski, M. Maciejewska, The generation of a broadband, spectrally flat supercontinuum extended to the mid-infrared with the use of conventional passive single-mode fibers and thulium-doped single-mode fibers pumped by 1.55 μm pulses, Laser Physics Letters 10 (1), 015106 (2013).

[H3] J. Swiderski, M. Michalska, Mid-infrared supercontinuum generation in a single-mode thulium-doped fiber amplifier, Laser Physics Letters 10 (3), 035105 (2013).

__________________________________________ * Wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz

o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 z późn. zm.).


[H4] J. Swiderski, M. Michalska, Over three-octave spanning supercontinuum generated in a fluoride fiber pumped by Er & Er:Yb-doped and Tm-doped fiber amplifiers, Optics & Laser Technology 52, 75-80 (2013).

[H5] M. Eckerle, C. Kieleck, J. Swiderski, S.D. Jackson, G. Mazé, M. Eichhorn, Actively Q-switched and mode-locked Tm3+-doped silicate 2 μm fiber laser for supercontinuum generation in fluoride fiber, Optics Letters 37 (4), 512-514 (2012).

część materiału opublikowana została również w:

M. Eckerle, C. Kieleck, P. Hubner, J. Swiderski, S.D. Jackson, G. Mazé, M. Eichhorn, High-average-power actively-mode-locked Tm3+ fiber lasers, Proc. SPIE 8237, 823740 (2012).

[H6] J. Swiderski, M. Maciejewska, J. Kwiatkowski, M. Mamajek, An all-fiber, resonantly pumped, gain-switched, 2 μm Tm-doped silica fiber laser, Laser Physics Letters 10 (1), 015107 (2013).

[H7] J. Swiderski, M. Michalska, G. Mazé, Mid-IR supercontinuum generation in a ZBLAN fiber pumped by a gain-switched mode-locked Tm-doped fiber laser and amplifier system, Optics Express 21 (7), 7851-7857 (2013).

[H8] J. Swiderski, M. Michalska, Generation of self-mode-locked resembling pulses in a fast gain-switched thulium-doped fiber laser, Optics Letters 38 (10), 1624-1626 (2013).

[H9] J. Swiderski, M. Michalska, C. Kieleck, M. Eichhorn, G. Mazé, "High power supercontinuum generation in fluoride fibers pumped by 2 μm pulses," IEEE Photonics Technology Letters 26 (2), 150-153 (2014).

[H10] J. Swiderski, M. Michalska, High power supercontinuum generation in a ZBLAN fiber with very efficient power distribution towards the mid-infrared, Optics Letters 39 (4), 910-913 (2014).

[H11] J. Swiderski, F. Théberge, M. Michalska, P. Mathieu, D. Vincent, High average power supercontinuum generation in a fluoroindate fiber, Laser Physics Letters 11 (1), 015106 (2014).

[H12] J. Swiderski, High-power mid-infrared supercontinuum sources: Current status and future perspectives, Progress in Quantum Electronics 38 (5), 189-235 (2014) (invited paper).

Liczbowe zestawienie dorobku składającego się na osiągnięcie naukowe, o którym mowa w art. 16 ust. 2 ustawy (uwzględniające: Impact Factor wyszczególnionych artykułów wg daty publikacji, średni 5-letni Impact Factor publikacji, punktację czasopism Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego wg wykazu z dnia 17 grudnia 2013 r., procentowy udział habilitanta w powstanie wyszczególnionych artykułów oraz liczbę cytowań (bez autocytowań) w wybranych bazach bibliograficznych) zostało przedstawione w tabeli 1.


Tabela 1. Liczbowe zestawienie dorobku składającego się na osiągnięcie naukowe, o którym mowa w art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 z późn. zm.).

Oznaczenie pracy

IF (wg daty)*

IFśredni (5 lat)

Punkty MNiSW

% udział

Liczba cytowań (bez autocytowań)

Web of Science

Scopus Google Scholar

H1 1.782 1.845 30 85 6 8 8

H2 2.964 2.783 50 85 3 3 3

H3 2.964 2.783 50 85 14 18 23

H4 1.649 1.653 25 85 7 9 11

H5 3.385 3.119 45 30 17 25 30

H6 2.964 2.783 50 75 10 15 18

H7 3.525 3.533 45 80 22 30 37

H8 3.179 3.119 45 85 5 7 9

H9 2.176 1.96 30 70 2 3 5

H10 3.179 3.119 45 85 2 2 5

H11 2.964 2.783 50 60 3 3 5

H12 4.688 7.025 50 100 0 0 0

Łącznie 35.419 36.505 515 - 91 123 154

* Dla artykułów opublikowanych w 2014 r. przyjęto IF za rok 2013.

Precyzyjne (opisowe) określenie wkładu habilitanta do powstania powyżej wymienionych publikacji zostało przedstawione w Zał. nr 4, natomiast oświadczenia pozostałych współautorów wymienionych prac zostały przedstawione w Zał. nr 5. W dalszej części autoreferatu habilitant odwołuje się do swoich prac stanowiących osiągnięcie naukowe (cykl publikacji powiązanych tematycznie), zgodnie z numeracją zastosowaną w wykazie osiągnięć (litera H z odpowiednią własną numeracją).

4.3. Omówienie celu naukowego prac i osiągniętych wyników wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania

4.3.1. Wprowadzenie Współczesne badania w zakresie techniki laserowej koncentrują się wokół urządzeń wykorzystujących najnowsze osiągnięcia technologiczne oraz cechujących się wysokim poziomem innowacyjności i szerokim spektrum potencjalnych zastosowań. Bezpośrednim determinantem szybkiego i dynamicznego rozwoju nauk technicznych jest realne zapotrzebowanie na daną technologię, urządzenie, cały system czy też rozwiązanie konstrukcyjne. Bardzo dobrym przykładem takiego zapotrzebowania są układy laserowe generujące promieniowanie w obszarze widmowym średniej podczerwieni (λ > 2 μm).

Obecnie najbardziej popularnymi, dostępnymi komercyjnie, źródłami generującymi promieniowanie w tym zakresie długości fal są optyczne generatory1 i wzmacniacze

1 E. Lippert, H. Fonnum, G. Arisholm, K. Stenersen, Opt. Express 18, 26475-26483 (2010).


parametryczne2 oraz kwantowe lasery kaskadowe3. Układy te już w chwili obecnej odznaczają się wysokim stopniem niezawodności, będąc również użytecznymi dla wielu aplikacji. Z drugiej jednak strony generatory i wzmacniacze parametryczne cechują się złożoną konstrukcją, są podatne na wibracje, wymagają regularnej okresowej obsługi i są drogie. Kwantowe lasery kaskadowe mogą generować promieniowanie o długościach fal z przedziału ok. 3.5-12 μm, jednak o ograniczonej mocy wyjściowej (maksymalnie rzędu mW dla pracy ciągłej i wiązki jednoczęstotliwościowej, dla pojedynczej struktury) i ograniczonej przestrajalności długości fali dla danej struktury. Te ograniczenia wskazują na realną potrzebę opracowania innych, alternatywnych źródeł promieniowania. W tym kontekście źródła supercontinuum (SC) zakresu widmowego średniej podczerwieni o dużej wyjściowej mocy średniej wydają się ową alternatywą, zwłaszcza zważywszy na unikatowe właściwości generowanego przez nie promieniowania, spośród których za najważniejsze można uznać: szerokie spektrum emisji rozciągające się w przedziale o szerokości nawet kilku tysięcy nanometrów, wysoką gęstość spektralną mocy generowanego promieniowania (> 1mW/nm) w obrębie szerokiego spektrum, wysoką spójność przestrzenną, kierunkowość oraz dużą jasność.

Generacja SC jest procesem, w którym wiązka promieniowania laserowego o dużym natężeniu propagując się w ośrodku nieliniowym ulega znacznemu spektralnemu poszerzeniu. Zjawiskami fizycznymi odpowiedzialnymi za to poszerzenie sygnału optycznego w dziedzinie częstotliwości są m.in. samomodulacja fazy (ang. Self-Phase Modulation - SPM), mieszanie czterofalowe (ang. Four Wave Mixing - FWM), wymuszone rozpraszanie Ramana (ang. Stimulated Raman Scatering - SRS) i wiele innych. Generacja SC została zaobserwowana po raz pierwszy w 1966 r., kiedy to Bloembergen i Lallemand spostrzegli spektralne poszerzenie impulsów optycznych, generowanych przez laser rubinowy, propagujących się w dwusiarczku węgla CS24. Cztery lata później pojawiły się pierwsze doniesienia o generacji SC w ośrodkach z ciała stałego5. W 1976 r. Stolin i Lin zaobserwowali po raz pierwszy generację SC we włóknie optycznym pompowanym laserem barwnikowym6. Kolejnym krokiem milowym było użycie do generacji SC światłowodów o strukturze kryształów fotonicznych (ang. Photonic Crystal Fibers - PCF), cechujących się wysokim współczynnikiem nieliniowości oraz możliwością kształtowania w szerokim zakresie charakterystyki dyspersyjnej7. Obecnie, blisko 40 lat od pierwszej demonstracji SC w światłowodzie, technologia ta pozostaje wciąż interesująca i ma duży potencjał aplikacyjny zarówno w obszarach zastosowań cywilnych, jak i wojskowych. Są to m.in. aplikacje medyczne (np. optyczna tomografia koherentna8, wczesne wykrywanie raka skóry9), detekcja różnych związków chemicznych (np. ładunków wybuchowych, narkotyków, zanieczyszczeń w wodzie i powietrzu)10,11,12, spektroskopia optyczna13, metrologia optyczna14, komunikacja optyczna15

i wiele innych. Warto tu zwrócić uwagę na fakt, że w zależności od zastosowania, poszczególne parametry promieniowania SC mogą mieć bardziej bądź mniej istotne znaczenie. Jedne aplikacje wymagają wiązek optycznych o małej mocy i bardzo dużej szerokości widma z jednocześnie wysokim stopniem koherencji czasowej i przestrzennej, podczas gdy dla innych aplikacji kluczowym czynnikiem jest szerokie widmo, kierunkowość i jednocześnie duża moc średnia generowanego sygnału, przy nieistotnej wadze koherencji czasowej. Stąd też, wybór odpowiedniego źródła SC do konkretnej aplikacji jest bardzo ważny.

2 M. Gebhardt, et al., Opt. Lett. 39, 1212-1215 (2014). 3 P. Rauter, S. Menzel, A.K. Goyal, C.A. Wang, A. Sanchez, G. Turner, F. Capasso, Opt. Express 21, 4518-4530 (2013). 4 N. Bloembergen, P. Lallemand, Phys. Rev. Lett. 16, 81-84 (1966). 5 R.R. Alfano, S.L. Shapiro, Phys. Rev. Lett. 24, 592-594 (1970). 6 C. Lin, R.H. Stolen, Appl. Phys. Lett. 28, 216-218 (1976). 7 J.M. Dudley, G. Genty, S. Coen, Rev. Mod. Phys. 78, 1135-1184 (2006). 8 A. Labruyere, A. Tonello, V. Couderc, G. Huss, P. Leproux, Opt. Fiber Technol. 18, 375-378 (2012). 9 A. Seddon, Phys. Status Solidi B, 250 1020-1027 (2013). 10 A. Mukherjee, S. von der Porten, C. Kumar, N. Patel, Appl. Opt. 49, 2072-2078 (2010). 11 L.J. Medhurst, J. Chem. Educ. 82, 278-281 (2005). 12 M. Kumar, M.N. Islam, F.L. Terry, M.J. Freeman, A. Chan, M. Neelakandan, T. Manzur, Appl. Opt. 51, 2794-2807 (2012). 13 S. Dupont, C. Petersen, J. Thogersen, C. Agger, O. Bang, S.R. Keiding, Opt. Express 20, 4887-4892 (2012). 14 J.K. Ranka, R.S. Windeler, A.J. Stentz, Opt. Lett. 25, 25-27 (2000). 15 H. Takara, T. Ohara, T. Yamamoto, H. Masuda, M. Abe, H. Takahashi, T. Morioka, Elect. Lett. 41, 270-271 (2005).


Szeroki obszar zastosowań źródeł SC był swego rodzaju pętlą sprzężenia zwrotnego, która to inicjowała i nadal inicjuje prace teoretyczne oraz eksperymentalne nad techniką uzyskiwania tego promieniowania. Prace te zaowocowały wieloma pionierskimi badaniami zarówno w obszarze technologii wytwarzania nowych ośrodków nieliniowych, jak i źródeł laserowych pompujących te ośrodki.

Efektywność procesu generacji SC jest zdeterminowana nieliniowością ośrodka użytego do generacji SC oraz drogą oddziaływania promieniowania pompującego z tym ośrodkiem. Stąd też, włókna optyczne wydają się najlepszym wyborem, oferując „zamknięcie” promieniowania pompującego w obszarze rdzenia o małej średnicy oraz oddziaływanie wiązki optycznej z ośrodkiem na dużej długości. Do generacji SC w obszarach widmowych widzialnym i bliskiej podczerwieni najczęściej używane są światłowody krzemionkowe, a zwłaszcza światłowody o strukturze kryształów fotonicznych (PCF)16. Światłowody te cechują się dużą nieliniowością oraz łatwością kształtowania charakterystyki dyspersyjnej, co pozwala m.in. na przesunięcie punktu zerowej dyspersji tych ośrodków w okolice długości fali 1 μm - w zakres widmowy, w którym generują dostępne „silne” źródła impulsów optycznych o bardzo krótkich czasach trwania. Z drugiej jednak strony wadą światłowodów fotonicznych są duże straty przy wprowadzaniu do nich promieniowania pompującego, co wynika głównie z bardzo małej średnicy rdzenia - nawet < 3 μm. Włókna fotoniczne mogą być również spawane z konwencjonalnymi światłowodami krzemionkowymi (SMF-28), jednakże straty na takim połączeniu są duże, prowadząc tym samym do niewysokiej sprawności sprzężenia (wynikającej z niedopasowania modowego). Duże straty na połączeniu oznaczają również zwiększone prawdopodobieństwo termicznego uszkodzenia spawu. Ponadto mała średnica rdzenia nie pozwala na propagację wiązek optycznych o dużej mocy średniej, zaś sama struktura fotoniczna nie zapewnia tak dobrego przekazywania ciepła pomiędzy rdzeniem i płaszczem, jak w przypadku konwencjonalnych światłowodów. Te czynniki sprawiają, że w nieliniowych światłowodach PCF łatwo jest uszkodzić rdzeń włókna - na skutek przekroczenia granicznej gęstości mocy. Z tego też względu do generacji SC o dużych mocach bardziej odpowiednie są konwencjonalne światłowody o skokowej zmianie współczynnika załamania (ang. step-index fibers).

Wszystkie światłowody krzemionkowe, bez względu na strukturę, mają ograniczony zakres transmisji w średniej podczerwieni do ok. 2.8 μm17, będący wynikiem silnej absorpcji molekularnej szkła krzemionkowego. Stąd też do generacji SC w obszarze fal dłuższych, powyżej 3 μm, konieczne jest zastosowanie innych światłowodów nieliniowych. Ośrodkami takim mogą być światłowody ze szkieł miękkich (ang. soft-glass fibers), a wśród nich światłowody fluorkowe18, tellurkowe19, światłowody ze szkieł ołowiowo-bizmutowych20 oraz światłowody chalkogenidowe21. Trzy pierwsze rodzaje światłowodów zapewniają transmisję promieniowania do ~5 μm, podczas gdy włókna chalkogenidowe mogą transmitować promieniowania nawet powyżej 10 μm. Podstawowe wady i zalety tych światłowodów, jak również najważniejsze wyniki z literatury przedmiotu dotyczące generacji SC, przedstawione zostały m.in. w pracy [H12].

Promieniowanie SC uzyskuje się najczęściej poprzez pompowanie ośrodka nieliniowego impulsami optycznymi o femtosekundowym czasie trwania (zwykle < 500 fs) i o wysokiej mocy szczytowej (>> 10 kW), generowanymi przez konwencjonalne lasery ciała stałego z synchronizacją modów wzdłużnych rezonatora (ang. mode-locked lasers). Są to najczęściej lasery tytanowe na szafirze (Ti:Al2O3)22,23,24, lasery o strukturze cienkich dysków (Yb:YAG25,

16 J.M. Dudley, G. Genty, S. Coen, Rev. Mod. Phys. 78, 1135-1184 (2006). 17 T. Izawa, N. Shibata, A. Takeda, Appl. Phys. Lett. 31, 33-35 (1977). 18 M. Saad, Proc. SPIE 7316, 73160N-1-16 (2009). 19 R. Thapa, D. Rhonehouse, D. Nguyen, K. Wiersma, C. Smith, J. Zong, A. Chavez-Pirson, Proc. SPIE 8898, 889808 (2013). 20 R. Buczynski, et al., Laser Phys. Lett. 7, 666-672 (2010). 21 J.S. Sanghera, et al., J. Non-Cryst. Solids 354, 462-467 (2008). 22 X.B. Zhou, H. Kapteyn, M. Murnane, Opt. Express 14, 9750-9757 (2006). 23 D. Türke, J. Teipel, H. Giessen, Appl. Phys. B 92, 159-163 (2008). 24 S. Dewald, T. Lang, C.D. Schröter, R. Moshammer, J. Ullrich, M. Siegel, U. Morgner, Opt. Lett. 31, 2072-2074 (2006).


Yb:Lu2O326, Yb:KYW27) czy też lasery iterbowe na szkle (Yb:glass)28,29, generujące promieniowanie o mocy średniej nawet dziesiątek W i długości fali z przedziału ~0.78-1.04 μm. Podobne poziomy mocy, przy czasach trwania generowanych impulsów < 100 fs, uzyskano ostatnio w laserze iterbowym z synchronizacją modów realizowaną za pomocą nieliniowej rotacji polaryzacji, w którym ośrodkiem aktywnym był światłowód fotoniczny o średnicy rdzenia 80 μm30. Wyżej wymienione lasery z synchronizacją modów używane są m.in. do generacji SC w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni w światłowodach krzemionkowych. Pomimo jednak krótkich czasów trwania i wysokich mocy szczytowych generowanych impulsów lasery te nie zapewniają efektywnej generacji SC w obszarze średniej podczerwieni. Aby uzyskać duże poszerzenie widma promieniowania SC w światłowodzie ogólnie jest znana zależność, że długość fali promieniowania pompującego powinna odpowiadać anomalnej części charakterystyki dyspersyjnej ośrodka nieliniowego i być usytuowana blisko długości fali zerowej dyspersji ośrodka (ang. Zero Dispersion Wavelength - ZDW)31. W przypadku światłowodów krzemionkowych zero dyspersji materiałowej odpowiada długości fali ~1.3 μm32. Dla światłowodów fluorkowych (ZBLAN), tellurkowych i chalkogenidowych ZDW wynosi odpowiednio ~1.6 μm33, ~2.3 μm34 i > 4 μm35. Oznacza to, że do generacji SC średniej podczerwieni z użyciem ww. ośrodków konieczne jest zastosowanie impulsów optycznych o dłuższych falach.

Emisję impulsów optycznych o dłuższych falach (λ > 1.3 μm) zapewniają z kolei wzmacniacze parametryczne, pompowane np. laserami Ti:Al2O336,37,38,39,40, umożliwiające łatwe dostrojenie się do punktu zerowej dyspersji ośrodków nieliniowych. Układy takie, ze względu na bardzo duże wartości mocy szczytowej generowanych impulsów (czasy trwania poniżej 100 fs), są najlepszymi pompami optycznymi do generacji SC, pozwalając na uzyskanie widma promieniowania o szerokości nawet kilku oktaw częstotliwości39,41,42,43, ograniczonej tylko pasmem transmisji ośrodka nieliniowego. Z drugiej jednak strony ww. układy laserowe są często bardzo podatne na różne czynniki atmosferyczne (kurz, wilgoć, drgania), wymagają ciągłego okresowego serwisowania w celu zapewnienia optymalnych parametrów generowanego promieniowania oraz nie pozwalają na skalowanie wyjściowej mocy średniej (układy te są zoptymalizowane dla jednego punktu pracy). Ponadto wyjściowa moc średnia generatorów parametrycznych jest zwykle ograniczona do poziomu kilkudziesięciu - kilkuset mW39,44,45. To z kolei oznacza, że układy te nie mogą zapewnić generacji SC o dużej wyjściowej mocy średniej. Ta dywagacja prowadzi do logicznego stwierdzenia, że aby uzyskać SC średniej podczerwieni o dużej mocy średniej (>1 W) konieczne jest zastosowanie innych pomp optycznych - m.in. źródeł promieniowania generujących impulsy o nanosekundowym, pikosekundowym lub subpikosekundowym czasie trwania. Impulsy takie mogą być emitowane przez lasery półprzewodnikowe oraz lasery ciała stałego z modulacją dobroci, synchronizacją modów lub też z jednoczesną modulacją dobroci i synchronizacją modów. W szczególności zastosowanie

25 J. Neuhaus, J. Kleinbauer, A. Killi, S. Weiler, D. Sutter, T. Dekorsy, Opt. Lett. 33, 726-728 (2008). 26 C.R.E. Baer, et al., Opt. Lett. 35, 2302-2304 (2010). 27 G.R. Holtom, Opt. Lett. 31, 2719-2721 (2006). 28 F. Hoos, S. Pricking, H. Giessen, Opt. Express 14, 10913-10920 (2006). 29 A. Killi, J. Dörring, U. Morgner, M. Lederer, J. Frei, D. Kopf, Opt. Express 13, 1916-1922 (2005). 30 M. Baumgartl, C. Lecaplain, A. Hideur, J. Limpert, A. Tünnermann, Opt. Lett. 37, 1640-1642 (2012). 31 G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 4th edition, Academic Press, Boston, 2007. 32 S. Fujino, K. Morinaga, J. Non-Cryst. Solids 222, 316-320 (1997). 33 P.W. France, S.F. Carter, M.W. Moore, C.R. Day, Brit. Telecommun. Technol. J. 5, 28-44 (1987). 34 G. Ghosh, J. Am. Ceram. Soc. 78, 2828-2830 (1995). 35 P. Klocek, Handbook of Infrared Optical Materials, Marcel Dekker, 1991. 36 P. Vasa, J.A. Dharmadhikari, A.K. Dharmadhikari, R. Sharma, M. Singh, D. Mathur, Phys. Rev. A 89, 043834 (2014). 37 F. G. Omenetto, et al., Opt. Express 14, 4928-4934 (2006). 38 P. Domachuk, et al., Opt. Express 16, 7161-7168 (2008). 39 G. Qin, X. Yan, C. Kito, M. Liao, C. Chaudhari, T. Suzuki, Y. Ohishi, Appl. Phys. Lett. 95(16), 161103 (2009). 40 C. Agger, et al., J. Opt. Soc. Am. B 29, 635-645 (2012). 41 C.R. Petersen, et al., Nat. Photon. 8, 830-834 (2014). 42 M. Liao , W. Gao, T. Cheng, X. Xue, Z. Duan, D. Deng, H. Kawashima, T. Suzuki, Y. Ohishi, Appl. Phys. Express 6, 032503 (2013). 43 W. Gao, et al., Opt. Express 21, 9573-9583 (2013). 44 J.E. McCarthy, H.T. Bookey, N.D. Psaila, R.R. Thomson, A.K. Kar, Opt. Express 20, 1545-1551 (2012). 45 F. Théberge, J.F. Daigle, D. Vincent, P. Mathieu, J. Fortin, B.E. Schmidt, N. Thiré, F. Légaré, Opt. Lett. 38, 4683-4685 (2013).


laserów i wzmacniaczy światłowodowych o odpowiedniej konfiguracji w połączeniu z odpowiednim ośrodkiem nieliniowym pozwala koncepcyjnie na uzyskanie integralnej konstrukcji źródła SC o wyjściowej mocy średniej rzędu watów.

Najbardziej popularne lasery światłowodowe (iterbowe, erbowe, tulowe) mają wystarczająco szeroką linię wzmocnienia, aby uzyskać impulsy o femtosekundowych czasach trwania. Duże zainteresowanie budzą zwłaszcza światłowodowe lasery iterbowe, pracujące na długości fali od 1.02 do 1.12 μm, generujące najwyższe wyjściowe moce średnie. Światłowodowe lasery erbowe nie pozwalają na uzyskanie tak dużych mocy jak lasery iterbowe (ze względu na parametry samego ośrodka aktywnego), ale pozwalają uzyskać dłuższe długości fali, powyżej 1.4 μm46. Generację promieniowania w paśmie ~1.9-2.05 μm można uzyskać stosując światłowodowe lasery tulowe47. Należy jednak pamiętać, że przy propagacji impulsów promieniowania o wysokiej mocy szczytowej w światłowodzie (długi ośrodek o małej średnicy rdzenia) mamy do czynienia z silnymi efektami nieliniowymi oraz dyspersją, które prowadzą do degradacji impulsów femtosekundowych oraz ograniczają możliwą do uzyskania energię impulsu, ograniczając tym samym ich moc szczytową48. Stąd też układy te zwykle bazują na zastosowaniu techniki CPA (ang. Chirped Pulse Amplification), gdzie impulsy femtosekundowe o małej energii poszerza się w dziedzinie czasu, wzmacnia we wzmacniaczu światłowodowym, a następnie kompresuje do czasu trwania zadanego (przed poszerzeniem). Taka metoda pozwoliła m.in. uzyskać impulsy o długości fali ~2 μm, o czasie trwania ~0.8 fs i wyjściowej mocy średniej rzędu dziesiątek W49,50. Przy zastosowaniu tej techniki opracowany został również układ lasera iterbowego generujący impulsy o czasie trwania 375 fs (po kompresji) i wyjściowej mocy średniej 325 W51. Wadą tych układów jest dość złożona konstrukcja oraz konieczność zastosowania kompresora siatkowego, co nie pozwala na uzyskanie całkowicie światłowodowego formatu całego układu laserowego.

Współczesne prace nad źródłami SC można podzielić na dwa podstawowe nurty: generację SC w kierunku fal krótkich (UV, promieniowanie widzialne i bliska podczerwień) oraz generację SC w kierunku fal długich (średnia podczerwień). Obydwa obszary badań dotyczą różnych technologii niezbędnych do uzyskania SC w rozpatrywanych zakresach widmowych, jak również różnych obszarów końcowych zastosowań. Uzyskanie SC z zakresie fal krótkich sprowadza się najczęściej do użycia krzemionkowego światłowodu PCF o odpowiednio ukształtowanej charakterystyce dyspersyjnej, pompowanego impulsami promieniowania o długości fali ~1 μm, generowanymi przez lasery tytanowe, neodymowe oraz iterbowe, technologia których jest obecnie dobrze opanowana. Wiele układów tego typu osiągnęło nawet poziom komercyjny52,53,54. Przesunięcie widma SC w kierunku średniej podczerwieni wymaga zastosowania radykalnych kroków, m.in. użycia nowych ośrodków nieliniowych transparentnych w tym zakresie widmowym. Istotnym jest również zaproponowanie schematu pompującego pozwalającego na uzyskanie SC o dużej mocy średniej, kluczowych parametrów dla takich aplikacji, jak selektywna ablacja tkanek biologicznych, zdalna detekcja substancji czy też układy DIRCM. Na przestrzeni ostatnich kilku lat zagadnienia te były obiektem zainteresowań wielu ośrodków badawczych na całym świecie, w tym również w Polsce. Tematyce tej poświęcony jest m.in. cykl publikacji, który habilitant przedłożył jako osiągnięcie naukowe będące podstawą wszczęcia i przeprowadzenia postępowania habilitacyjnego.

Priorytetem prac prowadzonych przez habilitanta było uzyskanie generacji SC zakresu widmowego średniej podczerwieni (λ > 2 μm) o dużej wyjściowej mocy średniej (> 1 W) i bardzo dobrej dystrybucji mocy promieniowania w kierunku fal długich, co w momencie

46 G. Sobon, J. Sotor, K.M. Abramski, Laser Phys. Lett. 9, 581-586 (2012). 47 C.W. Rudy, K.E. Urbanek, M.J.F. Digonnet, R.L. Byer, J. Lightwave Technol. 31, 1809-1812 (2013). 48 G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 4th edition, Academic Press, Boston, 2007. 49 P. Wan, L.M. Yang, J. Liu, Opt. Eng. 53 (5), 051508 (2014). 50 P. Wan, L.M. Yang, J. Liu, Opt. Express 21, 21374-21379 (2013). 51 T. Eidam, et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 15(1), 187-190 (2009). 52 http://www.nktphotonics.com/supercontinuum_sources 53 http://www.fianium.com/supercontinuum.htm 54 http://www.leukos-systems.com/spip.php?rubrique63


podejmowanych prac (2010 r.) stanowiło swego rodzaju „białą plamę” w obrębie poruszanego tematu. Aby uzyskać ten cel niezbędne było opracowanie źródeł laserowych dostarczających ciągu impulsów promieniowania od dużej mocy średniej i jednocześnie możliwie dużej mocy szczytowej oraz zastosowanie światłowodów nieliniowych charakteryzujących się odpowiednią długości fali zerowej dyspersji. W prowadzonych badaniach, jako pompy optyczne, używane były różne lasery światłowodowe oraz układy laserowe o konfiguracji generator diodowy - światłowodowy wzmacniacz mocy dostarczające impulsów o nanosekundowym i subnanosekundowym czasie trwania. W opinii habilitanta to rozwiązanie eliminowało znaczną część wad i uniedogodnień laserów z synchronizacją modów, w tym układów CPA, zapewniając tym samym niezawodną konstrukcję źródeł SC. Równie istotnym wyzwaniem, jakie habilitant sobie postawił, było zaproponowanie konstrukcji źródła SC spełniającego wymagania stawiane przez szereg istotnych aplikacji zarówno cywilnych, jak i wojskowych (zastosowania te scharakteryzowano w sekcji „Omówienie możliwości wykorzystania wyników prowadzonych badań naukowych” w dalszej części autoreferatu). Jako ośrodki nieliniowe używane były światłowody krzemionkowe (pasywne i aktywne) oraz fluorkowe. W efekcie podjętych prac powstało wiele nowych koncepcji oraz pionierskich rozwiązań układowych źródeł SC, mających realną szansę na komercjalizację, również w warunkach krajowych.

4.3.2. Generacja promieniowania supercontinuum w światłowodach krzemionkowych

Dwoma zasadniczymi komponentami niezbędnymi do uzyskania generacji supercontinuum (SC) są źródło impulsów pompujących oraz ośrodek nieliniowy. Aby zapewnić generację SC w obszarze widmowym średniej podczerwieni, ośrodek nieliniowy musi posiadać dobrą transmisję w rozpatrywanym paśmie, musi zapewnić transmisję promieniowania o dużej mocy optycznej na odpowiedniej odległości i najlepiej powinien cechować się dużą nieliniowością, zwłaszcza dużą wartością nieliniowego współczynnika załamania (nieliniowość definiowana jest parametrem nieliniowości γ = 2πn2λ-1Aeff-1, gdzie n2 - nieliniowy współczynnik załamania ośrodka, λ - długość fali promieniowania, Aeff - efektywne pole modu promieniowania propagującego się w ośrodku). Ponadto dostępność komercyjna ośrodka nieliniowego również odgrywa tu istotną rolę, zwłaszcza w aspekcie potencjalnych zastosowań. Ośrodkami, które mogą spełnić powyższe wymagania są włókna optyczne, a wśród nich światłowody krzemionkowe, technologia wytwarzania których jest bardzo dobrze opanowana. Światłowody te charakteryzują się niskimi stratami w zakresie bliskiej podczerwieni, dużą wytrzymałością mechaniczną, wysoką odpornością na zewnętrzne czynniki atmosferyczne oraz, co bardzo istotne, są powszechnie dostępne a koszt ich produkcji jest niewielki, zwłaszcza w przypadku klasycznych światłowodów o skokowej zmianie współczynnika załamania. Ich wadą jest stosunkowo niewielki zakres transmisji w średniej podczerwieni, do ok. 2.8 μm55 oraz niewielka wartość współczynnika n2 (2.7x10-20 m2W-1)56. Z drugiej jednak strony proces produkcji tych światłowodów pozwala na uzyskanie odcinków o długości dziesiątek, a nawet setek metrów, pozwalając tym samym na kompensację niewysokiej nieliniowości materiałowej.

Jak wspomniano we wprowadzeniu, generacja SC odbywa się najczęściej poprzez pompowanie światłowodu impulsami optycznymi o femtosekundowym czasie trwania i o wysokiej mocy szczytowej generowanymi przez klasyczne lasery ciała stałego z synchronizacją modów. Taki schemat pompowania jest bardzo dobry i użyteczny, jednak tylko w warunkach laboratoryjnych. Mając na względzie wymagania wielu istotnych aplikacji, jest on nie do zaakceptowania, będąc m.in. zbyt złożonym, podatnym na wiele czynników zewnętrznych, „generującym” dodatkowe koszty obsługi. Z kolei układy generatorów i wzmacniaczy parametrycznych (głównie używanych do generacji SC w średniej podczerwieni), pozwalających na uzyskanie femtosekundowych impulsów promieniowania w obszarze fal λ > 1.4 μm, mają ograniczoną

55 T. Izawa, N. Shibata, A. Takeda, Appl. Phys. Lett. 31, 33-35 (1977). 56 S. Fujino, K. Morinaga, J. Non-Cryst. Solids 222, 316-320 (1997).


wyjściową moc średnią do kilkudziesięciu-kilkuset mW. To niejako wymusza konieczność poszukiwania innych, alternatywnych źródeł pompujących, pozwalających na uzyskanie SC o szerokim widmie i zarazem dużej mocy średniej przy zachowaniu kompaktowości i niezawodności. Na przestrzeni ostatnich kilku lat duże zainteresowanie wzbudziły układy laserowe bazujące na światłowodach aktywnych, oferujące wysokie poziomy mocy wyjściowej, łatwość obsługi, niezawodność działania, zwartość konstrukcji oraz dużą niewrażliwość na czynniki zewnętrzne. Ponadto, co bardzo istotne, układy takie mogą być bezpośrednio spawane z krzemionkowymi światłowodami nieliniowymi, zapewniając tym samym światłowodowy format (ang. all fiber) całej konstrukcji źródła SC.

Bardzo interesującym rozwiązaniem źródła promieniowania jest światłowodowy układ laserowy typu generator diodowy - wzmacniacz mocy (ang. Master Oscillator Power Amplifier - MOPA). W rozwiązaniu tym impulsy optyczne o nanosekundowym lub subnanosekundowym czasie trwania generowane są przez laser półprzewodnikowy (z wyjściem światłowodowym) a następnie wzmacniane w kaskadzie wzmacniaczy światłowodowych do pożądanego poziomu energii/mocy szczytowej impulsu. W rozwiązaniu tym istnieje unikatowa możliwość generacji impulsów optycznych przy niezależnie regulowanej względem siebie częstotliwości powtarzania i czasie trwania (poprzez odpowiednie sterowanie lasera zadającego), podczas gdy wyjściowa moc średnia promieniowania generowanego na wyjściu układu MOPA jest zdeterminowana wzmocnieniem kaskady wzmacniaczy.

Powyższa koncepcja została użyta do budowy źródła promieniowania SC scharakteryzowanego w pracy [H1]. Układ pompujący składał się z lasera półprzewodnikowego generującego impulsy optyczne o czasie trwania ~1 ns, przy częstotliwości powtarzania 200 kHz i długości fali 1.55 μm oraz kaskady trzech wzmacniaczy światłowodowych. Na potrzeby realizacji układu opracowany został autorski sterownik dla stosowanych laserów półprzewodnikowych, pozwalający na wybór parametrów czasowych generowanego promieniowania w szerokim zakresie. Układ ten scharakteryzowany został m.in. w pracy [57]. Moc średnia ciągu impulsów generowanych przez laser wynosiła 3 μW, co odpowiadało 15 pJ energii i mocy szczytowej impulsu rzędu 15 mW. Stąd też stosowne wzmocnienie tych impulsów było koniecznością. Dwa pierwsze przedwzmacniacze zbudowane zostały na bazie konwencjonalnych światłowodów jednomodowych domieszkowanych jonami erbu Er3+, pompowanych promieniowaniem o długości fali 976 nm i sumarycznej mocy 1.5 W. Wzmacniacz mocy zbudowany został z użyciem 2.4 m odcinka światłowodu dwupłaszczowego domieszkowanego jonami erbu i iterbu Er3+:Yb3+ o średnicy rdzenia/płaszcza wynoszącej 6.5/125 μm oraz odpowiadającej im wartości apertury numerycznej 0.19/0.45. Włókno aktywne pompowane było poprzez sprzęgacz światłowodowy (2x1)+1, promieniowaniem (~976 nm) o maksymalnej mocy 10 W. Cały układ MOPA generował maksymalnie 2.14 W wyjściowej mocy średniej. Odpowiadało to całkowitemu wzmocnieniu 58.5 dB, z czego 46 dB zapewniały przedwzmacniacze erbowe oraz 12.5 dB wzmacniacz mocy erbowo-iterbowy. Jako ośrodek nieliniowy habilitant zaproponował użycie konwencjonalnego światłowodu o skokowej zmianie wartości współczynnika załamania (SMF-28, produkcji firmy Corning), co stanowiło nowość w kontekście generacji SC w obszarze średniej podczerwieni. Wybór tego światłowodu jako ośrodka nieliniowego uzasadniał: (1) zero dyspersji tego światłowodu było w okolicy długości fali 1.31 μm, co oznaczało, że przy zastosowaniu wyżej omówionego układu laserowego światłowód pompowany był w obszar dyspersji anomalnej, a to sprzyjało generacji SC głównie w kierunku fal długich, (2) ogólna dostępność oraz niska cena, (3) łatwość integracji z układem pompującym - technicznie został on dospawany do wyjścia światłowodowego wzmacniacza erbowo-iterbowego układu MOPA, zapewniając tym samym całkowicie światłowodowy format opracowanego źródła SC. Należy tu wspomnieć, iż alternatywnie jako ośrodek nieliniowy można było zastosować nieliniowy krzemionkowy światłowód mikrostrukturalny (PCF). Pomimo jednak, że światłowody te cechują się dużą wartością współczynnika nieliniowości γ, ich użycie w omawianym układzie było

57 W. Pichola, M. Maciejewska, M. Mamajek, J. Kwiatkowski, J. Świderski, Układ zasilania i sterowania impulsowej diody laserowej

z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym pracującej w paśmie widmowym bezpiecznym dla wzroku, Elektronika 53 (5), 77-80 (2012).


niezasadne. Po pierwsze, zero dyspersji tych światłowodów przesunięte jest w okolicę długości fali z przedziału ~800-1040 nm. Po drugie, uzyskanie dużych wartości współczynnika γ związane jest głównie ze znacznym zmniejszeniem średnicy rdzenia światłowodu do wartości poniżej 5 μm (nawet < 3 μm dla sygnału pompy o długości fali 0.8 μm), co wpływa na podwyższenie strat połączeniowych podczas spawania tych światłowodów ze światłowodami konwencjonalnymi (o średnicy rdzenia ok. 8 μm); duże straty na połączeniu ograniczają maksymalny poziom mocy propagującej się przez połączenie, zdefiniowany progiem uszkodzenia miejsca spawu światłowodowego. Po trzecie, cena 1 m światłowodu PCF jest przeszło trzy rzędy wielkości wyższa niż cena światłowodu SMF-28, co ma istotne znaczenie praktyczne (aspekt ekonomiczny). Powyższej wymienione determinanty, w opinii habilitanta, wystarczająco uzasadniają dokonany wybór światłowodu SMF-28 jako ośrodka nieliniowego opracowanego źródła SC.

Na podstawie danych prezentowanych w dostępnej literaturze można stwierdzić, że światłowody krzemionkowe były używane przede wszystkim do generacji SC w obszarze widzialnym i bliskiej podczerwieni, z zaniedbaniem dyskusji nt. możliwości generacji SC w zakresie fal dłuższych. Badania prowadzone przez habilitanta, omówione w pracy [H1], pokazały, że możliwe jest uzyskanie promieniowania SC o dużej wyjściowej mocy średniej, rozciągającego się głównie w obszarze widmowym „bezpiecznym dla wzroku” (λ > 1.4 μm), w konwencjonalnym światłowodzie krzemionkowym. W wyżej scharakteryzowanym układzie uzyskano 2 W wyjściowej mocy średniej w przedziale widmowym od 1.3 do 2.5 μm. Moc promieniowania wyjściowego dla fal λ > 1.65 μm wynosiła 1.1 W. Ponadto uzyskane spektrum charakteryzowało się bardzo dużą płaskością. Zmiany natężenia promieniowania wyjściowego na poziomie < 5 dB rejestrowane były w paśmie ~(1.6-2.2) μm. Wiązka wyjściowa generowanego promieniowania charakteryzowała się również bardzo dobrą jakością - o parametrze M2 ~1. Ponieważ światłowód SMF-28 pompowany był w obszar dyspersji anomalnej, głównym mechanizmem powodującym poszerzenie się widma sygnału było zjawisko niestabilności modulacji (ang. modulation instability) prowadzące do rozpadu impulsu pompującego na wiele krótkich subimpulsów58 a następnie ich samoistne przesunięcie w kierunku niższych częstotliwości - na skutek rozpraszania Ramana. Dalsze poszerzenie widma w zakres długości fal λ > 2.4 μm było dużym wyzwaniem, z uwagi na znaczny wzrost strat absorpcyjnych światłowodu krzemionkowego. Moc wyjściowa tego układu mogła być dalej skalowana - poprzez zastosowanie dodatkowego stopnia wzmocnienia, co zostało pokazane np. w pracy [H11]. Na podkreślenie zasługuje fakt, iż opracowany układ był pierwszym tego typu układem, w którym na wyjściu jednomodowego światłowodu krzemionkowego (SMF-28) uzyskano generację SC na poziomie watów z jednocześnie długofalową krawędzią widma powyżej 2.4 μm.

Prowadząc dalsze prace habilitant rozbudował wyżej opisany układ o dodatkową możliwość płynnej regulacji szerokości widma generowanego SC - poprzez odpowiednią zmianę częstotliwości repetycji lub czasu trwania impulsów optycznych pompujących ośrodek nieliniowy. Zmieniając czas trwania impulsów pompujących (generowanych przez laser półprzewodnikowy) od 0.8 do 2 ns, przy stałej częstotliwości pracy, możliwe było uzyskanie płynnej regulacji szerokości generowanego widma SC w przedziale od ~1.45 do ~2.45 μm, przy mocy wyjściowej na poziomie > 1 W, co również stanowiło nowość prowadzonych badań. Podobnie, szerokość widma mogła być regulowana poprzez zmianę częstotliwości powtarzania impulsów pompujących przy stałym czasie trwania tych impulsów. Opis tejże rozbudowy omawianego źródła SC zawarty został m.in. w opracowaniu [H12]. Ponadto część zastosowanego rozwiązania układowego stanowiła przedmiot stosownego zgłoszenia patentowego59.

58 G.P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 4th edition, Academic Press, Boston, 2007. 59 J. Świderski, M. Michalska, Ł. Gałecki, zgłoszenie patentowe nr P.408352 pt. Sposób generacji promieniowania supercontinuum

o płynnie regulowanej szerokości widma w ośrodku nieliniowym; zgłoszono do Urzędu Patentowego Rzeczypospolitej Polskiej w dniu 28 maja 2014 r.


Pomimo interesujących, w opinii habilitanta, wyników prowadzonych badań zagadnieniem pozostającym do zweryfikowania było sprawdzić możliwość generacji SC o dużej mocy, w kierunku fal dłuższych, powyżej 2.5 μm, w światłowodzie krzemionkowym. Tej problematyce poświęcone zostały prace [H2] oraz [H3]. W pierwszej kolejności badano wpływ długości światłowodu nieliniowego na obraz charakterystyki widmowej generowanego promieniowania. Stwierdzono, iż wydłużanie światłowodu SMF-28 prowadzi do uzyskania widma o dużej płaskości w szerszym przedziale. W przeprowadzonym eksperymencie, opisanym w pracy [H2], wydłużenie światłowodu SMF-28 z 4.2 do 6.6 m pociągało za sobą wzrost szerokości przedziału 5 dB płaskości widma z 580 do 640 nm (od 1.6 do 2.24 μm). Z drugiej jednak strony wydłużenie światłowodu nieliniowego spowodowało niemal 15% spadek mocy wyjściowej - z 2 na 1.71 W. Ten spadek mocy można wytłumaczyć tym, że składniki widma w zakresie fal dłuższych doznawały większego tłumienia spowodowanego wzrostem drogi interakcji promieniowania z ośrodkiem. W pracy [H12] pokazano również, że zastosowanie jeszcze dłuższych odcinków światłowodu nieliniowego prowadzi do uzyskania jeszcze większej płaskości charakterystyki widmowej promieniowania SC. Z drugiej jednak strony, bez względu na zastosowaną długość światłowodu krzemionkowego, przesunięcie długofalowej krawędzi widma promieniowania SC powyżej 2.5 μm, przy użyciu opracowanego układu pompującego, było trudne.

Bardzo interesującym rozwiązaniem prowadzącym do dalszego poszerzenia widma promieniowania SC w kierunku fal dłuższych jest zastosowanie krzemionkowego światłowodu aktywnego, domieszkowanego jonami pierwiastków ziem rzadkich, posiadającego przejścia emisyjne w obszarze średniej podczerwieni (np. światłowodu domieszkowanego jonami tulu Tm3+ lub holmu Ho3+)60,61. Światłowód taki pełni wówczas podwójną funkcję: wzmacniacza oraz ośrodka nieliniowego. Koncepcja ta została użyta do przeprowadzenia eksperymentu opisanego w pracy [H2]. Do układu MOPA (opisanego w pracy [H1]) dospawano dwa odcinki jednomodowych światłowodów krzemionkowych, z których pierwszym był światłowód pasywny SMF-28 (o długości 3 m), natomiast drugim światłowód typu dwupłaszczowego z rdzeniem domieszkowanym jonami tulu (o długości 1 m). Wymiary geometryczne światłowodu aktywnego były bardzo zbliżone do wymiarów światłowodu SMF-28, co pozwalało na niskostratne ich zespawanie. Przy zastosowaniu maksymalnej dostępnej mocy pompy na wyjściu układu uzyskano SC o mocy 1.02 W i widmie rozciągającym się od ok. 1.4 do 2.6 μm. Bardzo interesujący jest fakt, iż moc wyjściowa generowanego promieniowania dystrybuowana była głównie w zakresie fal λ > 2 μm, co było następstwem zastosowania do generacji SC światłowodu domieszkowanego jonami tulu. Promieniowanie pompujące wpierw uległo wstępnemu poszerzeniu w 3-metrowym odcinku światłowodu SMF-28 (do ok. 2.3 μm). Następnie, po wprowadzeniu do światłowodu tulowego, część promieniowania o długościach fal < 1.8 μm była absorbowana przez jony Tm3+ i konwertowana na promieniowanie o dłuższych falach, leżących w obszarze pasma wzmocnienia jonu tulu. Moc wyjściowa mierzona dla fal λ > 1.65 μm wynosiła 0.95 W, co odpowiadało 93% całkowitej mocy wyjściowej. Godna podkreślenia jest również uzyskana płaskość charakterystyki widmowej - 5 dB płaskość tej charakterystyki rejestrowana była w przedziale od 1.95 do 2.51 μm. Jednak najważniejszym osiągnięciem przeprowadzonego eksperymentu była pierwsza demonstracja możliwości generacji promieniowania SC średniej podczerwieni o mocy powyżej 1 W bezpośrednio z jednomodowego światłowodu tulowego, co w momencie publikacji owych wyników [H2] stanowiło też najlepszy, literaturowo znany, rezultat.

Dalsze badania nad generacją SC w światłowodach domieszkowanych jonami tulu ukierunkowane były na skalowanie wyjściowej mocy średniej oraz dalsze poszerzenie widma w kierunku fal długich. Najważniejsze wyniki tych badań przedstawione zostały w pracy [H3]. Aby zapewnić skalowanie mocy wyjściowej, opracowany układ do generacji SC został rozbudowany o dodatkowy stopień wzmocnienia bazujący na światłowodzie dwupłaszczowym domieszkowanym jonami tulu pompowany płaszczowo przez dwie diody laserowe (~790 nm)

60 J. Geng, Q. Wang, S. Jiang, Appl. Opt. 51, 834-840 (2012). 61 A.S. Kurkov, V.A. Kamynin, E.M. Sholokhov, A.V. Marakulin, Laser Phys. Lett. 8, 754-757 (2011).


generujące maksymalnie 4.75 W mocy ciągłej każda. Taka modyfikacja układu stanowiła jednocześnie jedną z nowości niniejszej pracy. Główne cele eksperymentu były następujące: (1) wzmocnić impulsy promieniowania generowane przez laser zadający DFB (~1550 nm) w kaskadzie wzmacniaczy erbowych i erbowo-iterbowych, następnie (2) wstępnie poszerzyć widmo propagującego się ciągu impulsów do ~2.2-2.4 μm w światłowodzie SMF-28, (3) używając jednomodowego światłowodu tulowego pompowanego w obszar rdzenia, uzyskać promieniowanie SC głównie w paśmie widmowym średniej podczerwieni z jednoczesnym przesunięciem długofalowej krawędzi widma powyżej długości fali λ > 2.4 μm oraz ostatecznie (4) wzmocnić uzyskane promieniowanie SC w kolejnym światłowodowym wzmacniaczu tulowym pompowanym płaszczowo, utrzymując dużą dystrybucję mocy promieniowania wyjściowego w kierunku fal długich z jednocześnie dużą płaskość charakterystyki widmowej.

W układzie laserowym scharakteryzowanym powyżej uzyskano SC o wyjściowej mocy średniej 2.37 W z widmem rozciągającym się w przedziale ~1.8-2.7 μm. Moc promieniowania dla fal λ > 2.4 μm wynosiła 0.49 W, co stanowiło 20.7% całkowitej mocy wyjściowej. Uzyskane widmo promieniowania SC cechowało się również bardzo dużą płaskością (zmiany natężenia sygnału poniżej 10 dB odpowiadały przedziałowi widmowemu o szerokości 570 nm). Bardzo istotnym rezultatem prowadzonych prac było uzyskanie przesunięcia długofalowej krawędzi widma promieniowania SC do przeszło 2.7 μm - tj. o 200 nm więcej w stosunku do układu zbudowanego tylko na bazie światłowodu krzemionkowego. Było to możliwe dzięki wykorzystaniu wzmocnienia w obydwu pasmach emisji jonu tulu Tm3+ w osnowie szkła krzemionkowego, co dokładnie opisano w pracy [H3].

Zaproponowana koncepcja generacji SC oraz samo rozwiązanie konstrukcyjne źródła SC były same w sobie nowatorskie, nie opisane wcześniej w literaturze. Uzyskana moc wyjściowa promieniowania SC była natenczas najwyższą, jaką uzyskano w jednomodowym światłowodzie tulowym (z długofalową krawędzią widma powyżej 2.5 μm). Należy tu również dodać, iż zarówno wyjściowa moc średnia generowanego promieniowania SC, jak i płaskość charakterystyki widmowej może być dalej zwiększona poprzez zastosowanie wyższej mocy pompującej oraz dłuższego odcinka światłowodu aktywnego, co udowodniono np. w pracy [H10]. Ponadto pokazano, że poprzez zastosowanie odpowiedniej architektury ośrodka nieliniowego oraz odpowiedniej konstrukcji układu pompującego możliwe jest opracowanie zwartej i niezawodnej konstrukcji źródła SC w formacie całkowicie światłowodowym.

Główną jednak wadą światłowodów krzemionkowych jest ich ograniczone pasmo transmisji w zakresie średniej podczerwieni z krawędzią poniżej 3 μm, co jest rezultatem silnej absorpcji molekularnej szkieł krzemionkowych w tym zakresie długości fal. Oznacza to, że w światłowodach tych można jedynie skalować wyjściową moc średnią, nawet powyżej 20 W62, przy braku możliwości dalszego poszerzenia widma w kierunku fal długich. Z tego też względu, aby uzyskać generację promieniowania w obszarze fal dłuższych, np. paśmie 2-5 μm konieczne jest zastosowanie innych ośrodków nieliniowych, jak chociażby światłowody ze szkieł miękkich. 4.3.3. Generacja promieniowania supercontinuum w światłowodach fluorkowych Bardzo dobrymi kandydatami na ośrodki nieliniowe źródeł SC zakresu widmowego średniej podczerwieni są światłowody fluorkowe. Najbardziej znanymi przedstawicielami tej grupy ośrodków są światłowody fluorocyrkonowe, znane również jako ZBLAN (nazwa pochodzi od pierwszych liter symboli pierwiastków z ich wzoru chemicznego: ZrF4 (53 mol.%), BaF2 (20 mol.%), LaF3 (4 mol.%), AlF3 (3 mol.%) oraz NaF (20 mol.%))63, pozwalających na transmisję promieniowania w przedziale od ~0.25 do ~4.4 μm. Technologia ich wytwarzania uznawana jest za bardzo dojrzałą, zaraz po technologii wytwarzania światłowodów krzemionkowych. Bardzo atrakcyjnymi ośrodkami z tej grupy włókien optycznych są również światłowody fluoroindowe

62 V.V. Alexander, et al., Opt. Lett. 38, 2292-2294 (2013). 63 M. Saad, Proc. SPIE 7316, 73160N-1-16 (2009).


(InF3), charakteryzujące się niższą wartością energii fononów i w konsekwencji szerszym pasmem transmisji, od ~0.3 do ~5.5 μm64. Główną wadą wszystkich światłowodów fluorkowych jest mała odporność na wilgoć, co w przypadku pracy w środowisku o dużej wilgoności prowadzi do ich degradacji w czasie. Również ich wytrzymałość mechaniczna, chemiczna i termiczna jest niższa w porównaniu z włóknami krzemionkowymi.

Innymi atrakcyjnymi ośrodkami optycznymi na zakres widmowy średniej podczerwieni są światłowody tellurkowe. Cechuje je podobny zakres transmisji, jak w przypadku światłowodów fluorkowych oraz przeszło o rząd wielkości wyższa wartość nieliniowego współczynnika załamania (n2 = 3.8×10−19 m2/W 65). To w połączeniu z dużą wytrzymałością mechaniczną oraz dużą odpornością na wilgoć czyni z nich „obiecujące” ośrodki nieliniowe do generacji SC.

Kolejną grupą światłowodów ze szkieł miękkich są światłowody chalkogenidowe, bazujące na związku siarki (S), selenu (Se) oraz telluru (Te) z dodatkiem innych pierwiastków (np. Ge, As, Sb) niezbędnych do uformowania stabilnego szkła. Przykładem tej grupy ośrodków są światłowody As2S3 oraz As2Se3. Przede wszystkim ośrodki te cechują się szerokim pasmem transmisji w podczerwieni, z długofalową krawędzią nawet powyżej 10 μm66 oraz nieliniowym współczynnikiem załamania o wartości przeszło dwa rzędy wielkości większej w porównaniu ze światłowodami krzemionkowymi i fluorkowymi. Ich podstawową wadą jest niska temperatura transformacji (< 200°C) oraz fakt posiadania punktu zerowej dyspersji w zakresie fal powyżej 4 μm - w zakresie, gdzie trudno znaleźć odpowiednie źródło promieniowania pompującego. Krótką charakterystykę zbiorczą światłowodów ze szkieł miękkich habilitant przedstawił w pracy [H12].

Oczywistym faktem jest to, że włókna optyczne o dużej materiałowej nieliniowości nadają się najlepiej do efektywnej generacji SC, pozwalając m.in. na stosowanie krótkich odcinków. Stąd też do tego celu najlepiej nadają się światłowody chalkogenidowe oraz tellurkowe. Z drugiej jednak strony ich technologia wytwarzania, pomimo intensywnej poprawy, nie jest jeszcze na tyle dojrzała, aby mogły być one użyte do generacji SC o wyjściowej mocy średniej na poziomie watów. Według oceny habilitanta, obecnie tylko technologia produkcji światłowodów fluorkowych jest na tyle opanowana, że można je rozpatrywać jako ośrodki odpowiednie do propagacji wiązek optycznych o mocy ciągłej nawet dziesiątek watów67.

W nawiązaniu do powyżej prowadzonej dyskusji, w kolejnych badaniach ukierunkowanych na uzyskanie generacji SC w zakresie fal dłuższych, powyżej 3 μm, jako ośrodki nieliniowe wybrane zostały światłowody fluorkowe ZBLAN. Zagadnieniom tym poświęcona jest m.in. praca habilitanta [H4]. Jako źródła promieniowania pompującego posłużyły opracowane wcześniej układy laserowe, opisane m.in. w pracach [H1] i [H3]. Jako ośrodek nieliniowy użyty został światłowód ZBLAN o długości 20 m. Był to światłowód o skokowej zmianie wartości współczynnika załamania, o średnicy rdzenia/płaszcza odpowiednio 7/125 μm i aperturze numerycznej NA = 0.23. Światłowód ten charakteryzował się również przesuniętym punktem zerowej dyspersji w okolicę 1.9 μm. Promieniowanie pompujące wprowadzane było do światłowodu za pomocą teleskopu optycznego, przy sprawności wprowadzania na poziomie ~60%. W pierwszym etapie badano generację SC w światłowodzie ZBLAN z użyciem układu pompującego typu MOPA składającego się z kaskady trzech wzmacniaczy światłowodowych (opisanego w pracy [H1]). Do wyjścia tego układu dospawany został pasywny światłowód SMF-28 o długości ~2.5 m. Jego rolą było wstępne poszerzenie widma sygnału optycznego do ok. 2.3 μm. Maksymalna stosowana moc promieniowania pompującego, mierzona na wyjściu światłowodu SMF-28, wynosiła 1.56 W, z czego ok. 860 mW wprowadzono do włókna fluorkowego. Na jego wyjściu uzyskano promieniowanie SC o mocy 0.66 W. Moc mierzona w zakresie fal λ > 1.65 μm, λ > 2.4 μm i λ > 3 μm wynosiła odpowiednio 0.44 W (66.7%), 0.21 W (31.8%) oraz 0.1 W (15.2%). Równolegle do opisanego eksperymentu wykonano badania

64 M. Saad, Proc. SPIE 8307, 83070N (2011). 65 M. Liao, C. Chaudhari, G. Qin, X. Yan, T. Suzuki, Y. Ohishi, Opt. Express 17, 12174-12182 (2009). 66 I. Kubat, et al., Opt. Express 22, 19169-19182 (2014). 67 X. Zhu, N. Peyghambarian, Adv. Optoelectron. 2010, 501956 (2010).


generacji SC w światłowodzie ZBLAN pompowanym układem laserowym scharakteryzowanym w pracy [H3]. Pompując światłowód nieliniowy promieniowaniem o mocy średniej 790 mW, uzyskano na jego wyjściu promieniowanie SC o wyjściowej mocy średniej 288 mW i widmie rozciągającym się od ~0.9 do 4 μm. Interesującym osiągnięciem była uzyskana bardzo duża dystrybucja mocy promieniowania wyjściowego w kierunku średniej podczerwieni. Używając optycznych filtrów pasmowo przepustowych o różnej krawędzi odcięcia, zmierzono, że przeszło 90% mocy wyjściowej odpowiadało falom dłuższym niż 2 μm. Co więcej, moc promieniowania SC w zakresie długości fal λ > 3 μm wynosiła 160 mW, stanowiąc 58% całkowitej mocy wyjściowej. Uzyskana sprawność dystrybucji mocy promieniowania w kierunku fal długich była najwyższą sprawnością odnotowaną w dostępnej literaturze. Uzyskanie takiego rezultatu było możliwe dzięki zaproponowaniu przez habilitanta koncepcji polegającej na pompowaniu światłowodu fluorkowego z przesuniętym zerem dyspersji (ZDW ~ 1.9 μm) promieniowaniem o odpowiednio ukształtowanej charakterystyce widmowej. W pierwszym kroku wykorzystano efekt podziału impulsów pompujących o czasie trwania ~1 ns w serię krótszych subimpulsów (solitonów) oraz ich przesunięcie w dziedzinie częstotliwości - na skutek rozpraszania Ramana. Następnie zapewniono warunki do propagacji i wzmacniania subimpulsów odpowiadających długościom fali powyżej ~1.8 μm. W ten sposób uzyskano „paczkę” promieniowania impulsowego z odpowiadającym mu widmem w przedziale ~1.8-2.6 μm. Ramanowskie kaskadowe przesunięcie częstotliwości propagujących się subimpulsów w światłowodach krzemionkowych było ograniczone tłumieniem tych ośrodków. Jednakże, po wprowadzeniu tego promieniowania do światłowodu ZBLAN z punktem zerowej dyspersji ZDW ~1.9 μm spełnione zostały warunki dla dalszego Ramanowskiego przesunięcia częstotliwości propagującego się promieniowania. Zjawisko to w głównej mierze powodowało poszerzenie się widma promieniowania SC w kierunku fal dłuższych - do granicy ok. 4 μm, gdzie straty materiałowe ośrodka skutecznie redukowały intensywność sygnału optycznego i tym samym powodowały zanik generacji SC w tym zakresie widmowym. Zagadnieniom tym poświęcona została również praca habilitanta oznaczona jako [H10], opisana w dalszej części niniejszego autoreferatu. Główną zaletą przedstawionego układu, stanowiącą jednocześnie nowość naukową, jest możliwość uzyskania generacji SC głównie w paśmie 2-4 μm, co ma istotne znaczenie np. dla układów typu DIRCM.

Badania nad generacją SC prowadzone były również z użyciem innych układów pompujących, m.in. lasera światłowodowego pracującego z modulacją dobroci i synchronizacją modów. Tę pionierską koncepcję użycia takiego źródła do pompowania światłowodu fluorkowego habilitant zaproponował wspólnie z prof. M. Eichhornem z French-German Research Institute of Saint- -Louis. Tematyka ta pokrywała się z tematem przewodnim programu NATO Science & Technology Organization „Mid-Infrared Fiber Lasers”, w którym habilitant czynnie uczestniczył (wspólnie z naukowcami z USA, Wielkiej Brytanii, Kanady, Francji, Niemiec, Norwegii i Danii), realizując na tę okoliczność m.in. projekt międzynarodowy niewspółfinansowany. W wyniku tej kooperacji powstała praca [H5].

Impulsy optyczne o nanosekundowym czasie trwania mogą być generowane przez lasery ciała stałego z modulacją dobroci rezonatora. Jednakże impulsy takie, zwłaszcza w przypadku laserów światłowodowych, są dość „długie” (rzędu dziesiątek ns lub dłuższe), a ich moc szczytowa jest stosunkowo niska, co nie jest korzystne z punktu widzenia generacji SC. Inną metodą prowadzącą do uzyskania impulsów laserowych o krótszym czasie trwania jest zastosowanie jednocześnie modulacji dobroci i synchronizacji modów. Koncepcja ta posłużyła do budowy impulsowego lasera tulowego generującego do 5 W mocy średniej [H5] (pełniącego funkcję pompy optycznej dla światłowodu fluorkowego). Ośrodkiem aktywnym lasera był światłowód dwupłaszczowy domieszkowany jonami tulu Tm3+ o długości 2.4 m. Średnica rdzenia tego światłowodu wynosiła 20 μm (0.2 NA), zaś średnica płaszcza wewnętrznego - 300 μm (0.4 NA). Koniec światłowodu od strony zwierciadła całkowicie odbijającego został obcięty pod kątem 82 stopni do osi włókna, podczas gdy drugi koniec światłowodu obcięto prostopadle do osi włókna i pełnił on funkcję zwierciadła wyjściowego (o transmisji ~96%). W rezonatorze lasera zastosowano dwie komórki akustooptyczne, z których jedna służyła do


modulacji dobroci, zaś druga do synchronizacji modów. Światłowód aktywny pompowany był w wolnej przestrzeni obustronnie przez dwie diody laserowe generujące promieniowanie (~972 nm) o mocy do 25 W każda. Rezonator lasera stanowiło zwierciadło o wysokim współczynniku odbicia dla promieniowania ~2 μm oraz obcięty pod kątem prostym koniec światłowodu tulowego. Pełna charakterystyka tego lasera przedstawiona została w pracy [H5]. Układ ten generował impulsy promieniowania o czasie trwania ~60 ns przy częstotliwości repetycji 60 kHz i wyjściowej mocy średniej do 5 W. W obwiedni tych impulsów rejestrowanych było 5-12 subimpulsów zsynchronizowanych o czasie trwania ~2 ns, dokładnie oddalonych od siebie o czas własny rezonatora (19.19 MHz). Energia najbardziej intensywnego subimpulsu wynosiła ~8 μJ, co odpowiadało mocy szczytowej ~2.5 kW. Tak uformowany ciąg impulsów wprowadzono za pomocą teleskopu optycznego do światłowodu ZBLAN (średnica rdzenia - 8 μm, średnica płaszcza - 125 μm, długość - 15 m). Długość fali zerowej dyspersji dla tego światłowodu wynosiła 1.54 μm, co oznacza, że był on pompowany w obszar dyspersji anomalnej. W wyniku przeprowadzonego eksperymentu, dla mocy promieniowania pompującego 3 W, uzyskano SC o wyjściowej mocy średniej 1.08 W i widmie rozciągającym się od ~1.9 do 3.6 μm. Dla fal λ > 2.34 μm moc promieniowania SC wynosiła 216 mW. Moc średnia opracowanego układu może być dalej skalowana - poprzez wzrost średniej mocy pompującej, generowanej przez laser tulowy. Nowością przedstawionej pracy [H5] jest koncepcja źródła SC o dużej mocy wyjściowej z układem pompującym opracowanym w postaci pojedynczego oscylatora. Stanowiło to również pierwszą praktyczną realizację takiego układu opisaną w literaturze. Zastosowane rozwiązanie umożliwiło uzyskanie SC o wyjściowej mocy średniej > 1 W, zachowując jednocześnie prostotę konstrukcji całego układu. Zasadniczą jednak jego wadą jest konieczność użycia dwóch komórek akustooptycznych (do modulacji dobroci i synchronizacji modów), pokrytych odpowiednimi warstwami antyrefleksyjnymi, które - oprócz tego, że są drogie - nie pozwalają na zapewnienie całkowicie światłowodowego formatu tego źródła, preferowanego dla wielu aplikacji.

Analiza niedogodności wyżej opisanego układu skłoniła habilitanta do opracowania alternatywnego rozwiązania oscylatora, w którym modulację dobroci rezonatora zastąpiono przełączaniem wzmocnienia (ang. gain-switching). Przełączanie wzmocnienia lasera jest techniką generacji promieniowania laserowego, alternatywną do modulacji dobroci rezonatora, w której pracę impulsową uzyskuje się na skutek włączania i wyłączania wzmocnienia ośrodka aktywnego - poprzez stosowną modulację promieniowania pompującego. W szczególności zastosowanie pompy rezonansowej oraz szybkiego przełączania wzmocnienia prowadzi do generacji stabilnego ciągu impulsów optycznych o krótkim czasie trwania68. Zagadnieniom tym poświęcona została praca [H6]. Prowadzone badania dotyczyły możliwości generacji impulsów promieniowania o długości fali ~2 μm w całkowicie światłowodowym laserze tulowym. Światłowód dwupłaszczowy domieszkowany jonami Tm3+ (średnica rdzenia - 10 μm, średnica płaszcza wewnętrznego - 130 μm) został użyty jako ośrodek aktywny lasera, natomiast jego rezonator stanowiły dwie światłowodowe siatki Bragga, z których jedna (zwierciadło całkowicie odbijające) charakteryzowała się współczynnikiem odbicia R > 99%, zaś druga współczynnikiem R = 10% (dla długości fali 1994.6 nm). Prowadzono również badania, w których sprzężenie układu zapewniał koniec światłowodu tulowego obcięty pod kątem prostym (odbicie ~4%). Światłowód aktywny pompowany był bezpośrednio w rdzeń promieniowaniem generowanym przez impulsowy układ laserowy dostarczający impulsów o długości fali ~1.55 μm, zmiennym czasie trwania w przedziale od 20 do 700 ns oraz częstotliwości repetycji rzędu kilkudziesięciu-kilkuset kHz i wyjściowej mocy średniej maksymalnie 3.5 W. Układ ten został częściowo scharakteryzowany w pracach [69] i [70]. Wyjście światłowodowe tego układu zostało dospawane do wejścia siatki Bragga stanowiącej zwierciadło całkowicie odbijające dla promieniowania ~2 μm. Badania generacji lasera prowadzono dla trzech wartości częstotliwości

68 M. Jiang, P. Tayebati, Opt. Lett. 32, 1797-1799 (2007). 69 M. Michalska, J. Swiderski, M. Mamajek, Arbitrary pulse shaping in Er-doped fiber amplifiers – possibilities and limitations, Optics

& Laser Technology 60, 8-13 (2014). 70 M. Michalska, J. Swiderski, Highly efficient, kW peak power, 1.55 µm all-fiber MOPA system with a diffraction limited laser output

beam, Applied Physics B - Lasers and Optics (2014), doi: 10.1007/s00340-014-5895-x.


powtarzania impulsów (50, 100 i 300 kHz) oraz kilku długości rezonatora. Ostatecznie, po przeprowadzonej optymalizacji, zastosowano światłowód aktywny o długości 21 cm, zaś długość całego rezonatora lasera (na którą składały się również pasywne odcinki światłowodów z zapisanymi siatkami Bragga) wynosiła 54 cm. Pomimo że światłowód aktywny był światłowodem dwupłaszczowym, pompowany był on rezonansowo bezpośrednio w aktywny rdzeń. W laserach z przełączanymi stratami/wzmocnieniem minimalny czas trwania generowanych impulsów zależy od wzmocnienia układu oraz czasu własnego rezonatora, co bezpośrednio oznacza, że długość ośrodka aktywnego determinuje charakterystyki czasowe generowanego promieniowania. Aby uzyskać krótki impuls, należy skracać rezonator. Z drugiej jednak strony skracanie rezonatora lasera światłowodowego (zwłaszcza skracanie włókna aktywnego) prowadzi do zmniejszenia wzmocnienia układu - na skutek mniejszej absorpcji promieniowania pompy i w konsekwencji czas impulsu nie ulega istotnemu zmniejszeniu. Prowadzi to do logicznego wniosku, że aby zapewnić generację krótkich impulsów, musimy zapewnić jednocześnie krótki rezonator oraz duże wzmocnienie (krótką drogę absorpcji promieniowania pompy). Warunek ten może być spełniony tylko przy pompowaniu światłowodu aktywnego bezpośrednio w rdzeń, gdzie absorpcja promieniowania jest duża. Dla światłowodu zastosowanego w eksperymencie przeszło 90% promieniowania pompy absorbowane było na odcinku ~20 cm. Dla częstotliwości repetycji 50 kHz laser generował ciąg impulsów o mocy średniej 0.765 W (co odpowiadało energii impulsu 15.3 μJ) przy sprawności różniczkowej 43%, odniesionej do zaabsorbowanej mocy pompy. Generowane impulsy laserowe charakteryzowały się czasem trwania ~30 ns i fluktuacją amplitudy na poziomie poniżej 5%. Przy założeniu gaussowskiego kształtu impulsu, moc szczytowa Psz tych impulsów wynosiła Psz = 0.94Pśr(fr x ti)-1 = 623 W (gdzie: Pśr - wyjściowa moc średnia, fr - częstotliwość repetycji, ti - czas trwania impulsu). Długość fali generowanego promieniowania wynosiła 1994.6 nm, zaś szerokość widma mierzona na poziomie -3 dB oraz -10 dB wynosiła odpowiednio 0.5 nm i 1.5 nm. Promieniowanie wyjściowe charakteryzowało się również bardzo dużym stosunkiem sygnał/szum wynoszącym >70 dB. Dokładna charakterystyka opracowanego układu oraz wyniki prowadzonych badań dla różnych konfiguracji układu zawarte są w pracy [H6].

Bardzo ważnym punktem prowadzonych badań było zaobserwowanie czasowego obrazu generowanych impulsów przypominającego jednoczesną modulację dobroci i synchronizację modów (ang. Q-switching and Mode-Locking - QML). Habilitant zauważył, że przy odpowiednim doborze mocy oraz czasu trwania impulsu promieniowania pompującego laser tulowy w obwiedni impulsów typu „gain-switch” pojawiał się ciąg subimpulsów o czasie trwania < 1.5 ns (o 100% głębokości modulacji), oddalonych względem siebie dokładnie o wartość odpowiadającą czasowi własnemu rezonatora. Dokładny pomiar czasu trwania zarejestrowanych subimpulsów nie był natenczas mierzony - z uwagi na brak odpowiedniego sprzętu pomiarowego. Niemniej jednak w tym momencie stało się oczywistym, iż uzyskane subimpulsy, po odpowiednim wzmocnieniu, będą się charakteryzować lepszymi parametrami energetycznymi niż subimpulsy uzyskane w omówionym wcześniej laserze tulowym z modulacją dobroci i synchronizacją modów, opisanym w pracy [H5]. Założono zatem, że układ taki rozbudowany o dodatkowy stopień wzmocnienia powinien stanowić nowatorskie i wydajne źródło impulsów optycznych o wysokiej mocy szczytowej, pozwalając tym samym na sprawną generację SC w światłowodzie fluorkowym. Ten oryginalny pomysł został przez habilitanta zweryfikowany praktycznie, zaś główne wyniki prowadzonych badań przedstawiono w pracy [H7].

Podstawowe modyfikacje układu opisanego w pracy [H6] polegały na zmniejszeniu częstotliwości generowanych impulsów do 26 kHz i dodaniu tulowego wzmacniacza światłowodowego, pompowanego płaszczowo promieniowaniem (~790 nm) o maksymalnej mocy ciągłej ~9.5 W. Jako ośrodek nieliniowy zastosowano światłowód ZBLAN (średnica rdzenia/płaszcza - 7/125 μm, NA - 0.23, długość - 20 m). Przy pompowaniu pierwszego światłowodu tulowego impulsami (~1.55 μm) o czasie trwania ~100 ns i energii do 80 μJ, na jego wyjściu uzyskano ciąg impulsów (~2 μm, < 50 ns) o wyjściowej mocy średniej ok. 400 mW. W obwiedni impulsu typu „gain-switch” można było wyróżnić 20-30 krótszych subimpulsów


oddalonych od siebie o czas własny rezonatora - 5.3 ns. W kolejnym kroku promieniowanie to zostało wzmocnione do wartości mocy średniej 2.3 W, co odpowiadało energii impulsu typu „gain-switch” 88 μJ. Czas trwania tych impulsów wynosił ~50 ns. Wzmacniacz tulowy pracował ze sprawnością 26.5%. Jak wspomniano powyżej, obwiednia impulsu typu „gain-switch” zawierała stabilny ciąg subimpulsów, o czasie trwania z przedziału od 200 ps do kilku ns. Pomiary czasowe prowadzone były z użyciem oscyloskopu cyfrowego z pasmem 6 GHz oraz szybkiego detektora o czasie narastania wynoszącym < 35 ps. Poddając dane pomiarowe analizie prowadzonej z użyciem oprogramowania Origin Pro określono energię i moc szczytową trzech subimpulsów o najwyższej amplitudzie. Energia tych impulsów wynosiła 8.3, 13.7 oraz 15.7 μJ, zaś odpowiadająca im moc szczytowa: 22.2, 24.7 oraz 27.8 kW. Warto przypomnieć w tym miejscu, iż maksymalna moc szczytowa subimpulsów zaobserwowanych w tulowym laserze opisanym w pracy [H5] wynosiła 2.5 kW. Uzyskane wyniki oznaczają zatem, iż udało się opracować nowatorski układ lasera z przełączanym wzmocnieniem zbudowany w formacie całkowicie światłowodowym, dostarczający impulsów o mocy szczytowej > 25 kW, o rząd wielkości wyższej w stosunku do mocy szczytowej impulsów generowanych przez laser tulowy opisany w pracy [H5]. Dopełnieniem prowadzonych badań było wprowadzenie uzyskanego ciągu impulsów do światłowodu fluorkowego. W wyniku przeprowadzonego eksperymentu uzyskano SC o mocy średniej 0.74 W i widmie rozciągającym się od ~1.9 do 3.8 μm. Rezultaty przedstawione w pracy [H7], są pierwszym doniesieniem o generacji SC z użyciem światłowodowego lasera tulowego pracującego z przełączaniem wzmocnienia o zaproponowanym rozwiązaniu konstrukcyjnym. Zarówno moc wyjściowa i szerokość widma generowanego promieniowania SC mogą być dalej skalowane.

Problem, który ciągle nurtował habilitanta to długi czas trwania subimpulsów, rejestrowanych w obwiedni impulsu typu „gain-switch”. Analizie tego zagadnienia poświęcona jest praca [H8]. W prowadzonych badaniach laser tulowy pracował przy częstotliwości repetycji 30 kHz. W wyniku odpowiedniego doboru czasu trwania impulsów pompujących ośrodek aktywny, możliwe było uzyskanie impulsów laserowych typu „gain-switch” o minimalnym czasie trwania 23-25 ns. Bardzo interesującym spostrzeżeniem była sama ewolucja obrazu czasowego generowanych impulsów w funkcji mocy promieniowania pompującego. W laserze tulowym, po przekroczeniu progu generacji, generowane były impulsy (2 μm) o długim czasie trwania (setki ns). Zwiększenie mocy promieniowania pompującego pociągało za sobą wzrost przekroczenia progowego i tym samym skrócenie impulsów optycznych do wartości < 100 ns. Dla mocy pompującej 0.81 W (energia impulsu pompy 27 μJ) czas trwania impulsu skrócił się do ~50 ns i jego amplituda zaczęła wykazywać dużą niestabilność z jednoczesnym występowaniem dużej liczby intensywnych pików sygnału (ang. spikes). Również szerokość widma sygnału wyjściowego mierzona na poziomie -10 dB wzrosła z 1.48 do 1.97 nm. Gdy moc promieniowania pompującego osiągnęła wartość 1.2 W, czas trwania impulsu typu „gain-switch” skrócił się do ~40 ns i obserwowany był podział tego impulsu na szereg krótszych subimpulsów o czasie trwania ~3 ns, pojawiających się poczynając od maksimum amplitudy impulsu typu „gain-switch” i przy głębokości modulacji amplitudy tego impulsu wynoszącej ~50%. Moc wyjściowa generowanego promieniowania wynosiła wówczas 0.29 W, zaś szerokość widma (na poziomie -10 dB) - 2.49 nm. Dla zaabsorbowanej mocy promieniowania pompy wynoszącej 1.8 W, amplituda impulsu typu „gain-switch” charakteryzowała się czasem trwania ~30 ns. Subimpulsy rejestrowane w obrębie obwiedni tego impulsu, o 100% głębokości modulacji, były regularne i stabilne, oddalone względem siebie w skali czasu o 5.3 ns (190 MHz), co dokładnie pokrywało się z wartością czasu obiegu rezonatora. Szerokość widma generacji mierzona na poziomie 3 i 10 dB poniżej maksimum piku emisji wynosiła odpowiednio 1.3 i 2.83 nm. Czas trwania subimpulsów o najwyższej amplitudzie zawierał się w przedziale 200-600 ps. W celu dokładniejszej charakterystyki otrzymanego ciągu impulsów optycznych, określona została energia oraz moc szczytowa pierwszych 9 subimpulsów, poczynając od zbocza narastającego. Energia impulsu typu „gain-switch”, obliczona jako iloraz średniej mocy wyjściowej i częstotliwości repetycji wynosiła 13.1 μJ. Natomiast energia trzech subimpulsów o najwyższej


amplitudzie wynosiła 0.71, 0.77 oraz 1.03 μJ. Z kolei moc szczytowa tych subimpulsów wynosiła odpowiednio 0.78, 1.03 i 1.1 kW.

W opinii habilitanta przyczyną zaobserwowanej samowzbudnej pracy przypominającej synchronizację modów mogły być nieliniowości występujące w rezonatorze, będące na tyle silne, że wpływały na poszerzenie widma propagującego się sygnału71. W momencie, gdy szerokość tego widma była porównywalna lub większa niż odstęp między modami wzdłużnymi lasera, mody te miały stworzone warunki do wzajemnej interferencji, powodując w rezultacie periodyczną modulację amplitudy sygnału o częstotliwości odpowiadającej czasowi własnemu rezonatora. Z drugiej jednak strony głębokość modulacji obserwowanych impulsów zależała od mocy promieniowania pompującego. To może sugerować, że np. część „niedopompowana” światłowodu aktywnego działała jak wysycalny absorber - w wyniku powstania centrów absorpcyjnych72 lub obecności procesów upkonwersyjnych zachodzących zwłaszcza w ośrodkach o dużej koncentracji domieszki czynnej73, co również można odnieść do światłowodu aktywnego zastosowanego w eksperymencie. Duża koncentracja jonów tulu Tm3+ mogła prowadzić do powstania klastrów i w konsekwencji zwiększonego oddziaływania między jonami, prowadząc tym samym do uwydatnienia efektu wysycalnej absorpcji. Dlatego też w pierwszych rozważaniach dotyczących tego układu [H6, H7] zaobserwowany rodzaj pracy odnoszono do samowzbudnej synchronizacji modów. Prowadząc jednak dalsze rozważania, stwierdzono, że wstępnie założona przyczyna zaobserwowanego trybu pracy lasera jest niewłaściwa. Przede wszystkim czas trwania tych subimpulsów był znacznie dłuższy niż czasy trwania subimpulsów uzyskiwanych w przypadku laserów z pasywną modulacją dobroci. Teoretycznie minimalny czas trwania impulsu optycznego o szerokości widma 1.3 nm i o centralnej długości fali 1994.5 nm (zakładając kształt impulsu sech2) wynosi 3.21 ps. Czas trwania uzyskanych subimpulsów był zatem o 2-3 rzędy wielkości dłuższy w odniesieniu do minimalnej wartości teoretycznej. Ponadto zaobserwowano, że czas trwania poszczególnych subimpulsów jest krótki (200-600 ps) na początku ciągu, natomiast czas trwania subimpulsów na końcu ciągu był dłuższy i wynosił nawet kilka ns. Ten długi czas trwania wskazuje, że przyczyną zaobserwowanego trybu pracy lasera jest zjawisko zdudniania modów wzdłużnych (ang. laser longitudinal mode beating). Ponieważ więcej modów sprzężonych jest na początku impulsu typu „gain-switch”, czas trwania odpowiadających im subimpulsów jest krótszy, podczas gdy mniej modów (na skutek konkurencji pomiędzy modami) ulega sprzężeniu na końcu impulsu typu „gain-switch” i w konsekwencji prowadzi to do dłuższego czasu trwania subimpulsów. Nowością w pracy [H8] było zademonstrowanie po raz pierwszy oraz scharakteryzowanie samowzbudnej generacji przypominającej synchronizację modów w tulowym laserze światłowodowym pracującym w reżimie przełączania wzmocnienia. Co więcej, zademonstrowano, że impulsy takie, po stosownym wzmocnieniu, pozwalają na uzyskanie SC średniej podczerwieni w światłowodzie fluorkowym o szerokości ponad oktawy częstotliwości [H7].

Kolejnym wyzwaniem, jakie habilitant postawił sobie za cel było uzyskanie generacji SC o jeszcze szerszym widmie i jeszcze większej mocy wyjściowej. Tematyce tej poświęcona została m.in. praca [H9]. Realizacja postawionego zadania sprowadzała się do opracowania/modyfikacji opracowanych źródeł pompujących. W pierwszej kolejności uwaga została skupiona na układzie lasera tulowego z przełączanym wzmocnieniem (opisanym w pracach [H7], [H8]). Przede wszystkim, aby uzyskać wyższą wartość mocy wyjściowej promieniowania SC, konieczne było rozbudowanie opracowanego układu lasera impulsowego [H8] o odpowiedni stopień wzmocnienia. W tym też celu, wyjście lasera zintegrowano ze wzmacniaczem zbudowanym z użyciem światłowodu dwupłaszczowego typu Large Mode Area (LMA), domieszkowanego jonami Er3+ i Yb3+. Światłowód ten, o długości 4.5 m, charakteryzował się średnicą rdzenia 25 μm (0.1 NA) oraz średnicą płaszcza wewnętrznego 250 μm (0.46 NA). Pompowany był współbieżnie, z użyciem sprzęgacza światłowodowego (2+1)x1, promieniowaniem (~793 nm)

71 P. Myslinski, J. Chrostowski, J.A.K. Koningstein, J.R. Simpson, Appl. Opt. 32, 286-290 (1993). 72 F.Z. Kamar, T.A. King, J. Mod. Opt. 52, 1031-1043 (2005). 73 F. El-Sherif, T.A. King, Opt. Commun. 208, 381-389 (2002).


o mocy ciągłej maksymalnie 30 W. Do wyjścia wzmacniacza (koniec światłowodu aktywnego) przyspawany został taper światłowodowy, opracowany i wykonany we własnym zakresie, pozwalający na konwersję promieniowania ze światłowodu aktywnego LMA do jednomodowego światłowodu pasywnego SM2000 (o średnicy rdzenia 11 μm, NA = 0.1). Zastosowanie światłowodu SM2000 na wyjściu wzmacniacza miało za zadanie ułatwienie wprowadzenia promieniowania pompującego do światłowodów fluorkowych (cechujących się średnicą rdzenia < 10 μm). Układ ten wykonany został całkowicie w technologii światłowodowej.

Gdy laser tulowy pracował tylko w trybie klasycznego przełączania wzmocnienia, dla częstotliwości repetycji 26 kHz i dla maksymalnej dostępnej mocy promieniowania pompującego wzmacniacz tulowy, mógł on generować stabilny ciąg impulsów o minimalnym czasie 25 ns i maksymalnej energii 0.28 mJ, co odpowiadało 10.5 kW mocy szczytowej impulsu. Moc średnia generowanego promieniowania wynosiła 7.28 W, zaś sprawność różniczkowa wzmacniacza tulowego - 31.1%. Wyniki tych badań habilitant przedstawił w pracy [74]. Dla trybu pracy lasera tulowego określonego jako przełączanie wzmocnienia z jednoczesną samowzbudną pracą przypominającą synchronizację modów uzyskano ciąg kilkunastu subimpulsów zawierających się w obwiedni impulsu typu „gain-switch”. Przy maksymalnym wzmocnieniu wzmacniacza tulowego, maksymalna moc szczytowa generowanych subimpulsów o najwyższej amplitudzie wynosiła 30.5 kW.

Do badań nad generacją SC użyto dwóch światłowodów ZBLAN. Pierwszy z nich, o długości 20 m, charakteryzował się średnicą rdzenia/płaszcz odpowiednio 6.8/125 μm oraz NA = 0.23. Drugi użyty światłowód był krótszy (7 m), miał nieco większą średnicę rdzenia (8 μm) przy tej samej średnicy płaszcza oraz NA = 0.3. Światłowody te pompowane były promieniowaniem generowanym przez scharakteryzowany powyżej układ laserowy, opisany w pracy [H9]. Technicznie wyjście światłowodowe układu pompującego (światłowód SM2000) zostało połączone mechanicznie z jednym z końców światłowodu fluorkowego, po uprzednim obcięciu końców tych światłowodów pod kątem 82 stopni do osi włókien. Pozwoliło to na wprowadzenie ~2.2 W promieniowania pompującego do włókien fluorkowych.

W przypadku dłuższego światłowodu nieliniowego uzyskano generację promieniowania SC o mocy średniej 1.25 W i widmie ~1.8-4.15 μm. Moc promieniowania mierzona dla fal powyżej 2.4 oraz 3 μm wynosiła odpowiednio 0.6 W (48.5%) oraz 0.31 W (24.5%). W przypadku drugiego światłowodu nieliniowego (o długości 7 m) uzyskano generację promieniowania SC o nieco węższym widmie - od ~1.8 do 3.6 μm, ale o wyższej mocy wyjściowej wynoszącej 1.82 W. Mniej sprawne poszerzenie widma w kierunku średniej podczerwieni może być uzasadnione wyższymi stratami tego światłowodu wynoszącymi np. ~200 dB/km dla fali o długości 3 μm. Bardzo istotnym rezultatem prowadzonych tu badań była demonstracja SC o wyjściowej mocy średniej powyżej 1 W i długofalowej krawędzi widma powyżej 4 μm. Ponadto generowane promieniowanie SC w głównej mierze odpowiadało falom leżącym w paśmie widmowym średniej podczerwieni (λ > 2 μm), co ma istotne znaczenie praktyczne, np. dla systemów oślepiania rakiet wyposażonych w głowice samonaprowadzające się na promieniowanie podczerwone (aspekt ten poruszony został również w dalszej części autoreferatu).

Badaniom nad dalszym skalowaniem mocy średniej promieniowania SC poświęcona została praca [H10]. W badaniach tych powrócono do koncepcji impulsowego układu pompującego opartego o architekturę generator diodowy - światłowodowy wzmacniacz mocy (omówionego m.in. w pracach [H1]-[H4]). Unikatową zaletą układu MOPA z generatorem zadającym w postaci impulsowego lasera półprzewodnikowego jest możliwość niezależnej zmiany częstotliwości repetycji i czasu trwania generowanych impulsów, przy możliwości niezależnego regulowania wzmocnienia w kaskadzie wzmacniaczy. Przy zastosowaniu takiego układu pompującego moc średnia promieniowania SC może być skalowana liniowo wraz ze wzrostem mocy średniej ciągu

74 J. Swiderski, M. Michalska, W. Pichola, M. Mamajek, Generation of 25-ns pulses with a peak power of over 10 kW from a gain-

switched, 2-μm Tm-doped fibre laser and amplifier system, Quanum Electron. 44 (4), 294-297 (2014).


impulsów wprowadzanych do ośrodka nieliniowego. Ponieważ całe spektrum promieniowania SC jest generowane w czasie trwania pojedynczego impulsu pompy, to moc średnia SC może być zwiększana poprzez zwiększanie liczby impulsów pompujących w danym przedziale czasu (zwiększenie częstotliwości repetycji). Aby zapewnić przy tym względnie stały kształt oraz szerokość widma SC, moc szczytowa impulsów pompujących musi pozostać na stałym niezmiennym poziomie. Aby tak się stało, każdorazowa zmiana częstotliwości repetycji lub czasu trwania impulsu musi pociągać za sobą odpowiednią zmianę mocy średniej promieniowania generowanego przez układ MOPA (wprowadzanego do światłowodu nieliniowego). Regulacja tejże mocy odbywa się poprzez zmianę wzmocnienia (mocy pompy) - głównie w końcowym wzmacniaczu mocy.

Powyższa koncepcja została użyta do opracowania źródła SC o

Jacek Świderski - Wojskowa Akademia Techniczna · power supercontinuum generation in a...

Documents

Transcript of Jacek Świderski - Wojskowa Akademia Techniczna · power supercontinuum generation in a...